硬齒面齒輪加工技術進展及展望

呂 明，梁國星

（太原理工大學 機械工程學院，太原 030024)

硬齒面齒輪是指采用特種鋼材，應用復合工藝使齒輪表面硬度達到HRC 45以上硬度的齒輪，通常采用齒輪表面滲氮或氮碳共滲（硬度約為HRC 52)、中高頻感應淬火或火焰淬火（硬度約為HRC 55)和齒輪表面滲碳淬火（硬度HRC 58～62)。加工工藝一般采用滾齒-剃齒—熱處理或珩齒工藝；滾齒-熱處理-磨齒工藝，國內外制定了齒輪表面硬度、芯部硬度、有效硬化層深度等一系列檢驗標準，對完善熱處理工藝，保證硬齒面齒輪質量起到了重要的作用，使硬齒面齒輪技術得到快速發展和廣泛應用。

硬齒面齒輪傳動是現代裝備制造業中傳遞動力和運動的一種主要形式。硬齒面齒輪的設計和制造水平直接影響到機械產品的性能，在工業發展中占有舉足輕重的地位，被公認為工業化先進程度的一種標志。隨著工業技術的飛速發展，要求齒輪具有高精度、高速、高承載力、高齒面硬度、良好的齒面質量、長壽命等技術指標。在工業領域中，對具有高齒面質量、高傳動性能齒輪數量的需求成幾何級數增長。根據《中國齒輪行業“十二五”發展規劃綱要》調查數據顯示，我國齒輪行業年銷售額超過1600億元，平均年增長率達到25%以上，已成為世界第三大齒輪制造國。國家在2009年出臺的中長期科技發展規劃中，將高性能機床及基礎裝備列為16項重大專項之一，為裝備主機提供配套服務的齒輪行業因此而成為重點發展目標。硬齒面齒輪精加工技術關系到國家安全和尖端科技的發展，是國家的一項戰略需求。

1 硬齒面齒輪精加工關鍵技術

硬齒面齒輪的精加工是以高效率、高質量、低成本為目標，實現材料高效去除的一種齒輪精加工技術。隨著硬質合金材料、刀具涂層技術、超硬磨粒工具制備技術和齒輪精加工機床技術的發展，淬硬齒輪加工技術和齒輪加工精度有了顯著的提高，高精度齒輪的加工成本大幅度降低。目前，針對淬火后硬齒面齒輪所采用的加工方法有硬齒面剃齒、硬齒面精滾（刮削)、硬齒面磨齒和硬齒面珩齒技術等。其中硬齒面剃齒、硬齒面精滾適用于齒面硬度為HRC 45～53的齒輪精加工，硬齒面磨齒、硬齒面珩齒適用于齒面硬度HRC≥45的齒輪精加工。

硬齒面齒輪精加工技術主要包括材料去除機理、機床設計、工具制備技術、一體化技術等。圖1列出硬齒面齒輪精加工所需的主要相關技術，其中高性能機床和工具的設計制造是影響硬齒面齒輪精加工技術應用的最重要因素。

1.1 硬齒面齒輪工具技術

圖1 硬齒面齒輪精加工技術框架

隨著硬齒面齒輪精加工工藝的普及推廣，專用加工工具也有了迅速發展，這主要表現在新型材料和刀具涂層技術的應用、超硬磨粒CBN工具制備技術的成熟、工具結構設計和工具一體化技術日趨完善等方面。滾、剃類刀具材料普遍采用新型高速鋼和硬質合金并輔以涂層工藝，珩、磨類工具國外普遍采用鋼基體超硬磨粒（如CBN、金剛石)模具，國內采用燒結磨具。在工具結構設計過程中，應用CAD技術、有限元分析技術等模擬仿真硬齒面齒輪精加工過程，實現刀具結構的優化設計。在工具集成技術方面，將粗加工、精加工工具一體化，通過一次裝夾完成兩個或更多工序加工。如，粗磨—精磨集成刀具、倒棱—精滾集成刀具、倒棱—硬剃集成刀具、粗珩—精珩集成工具以及粗磨—精磨—粗珩—精珩四位一體化工具技術等。工具集成技術的應用大大提高了精加工效率，降低了生產成本，推動了硬齒面齒輪精加工技術的發展和應用。

1.1.1 硬齒面剃齒和硬齒面精滾（刮削)

硬齒面齒輪精加工所用工具通常采用高鈷鋼（HRC 70～72)或用超細硬質合金材料（K類和P類)，毛坯的成形工藝技術采用HIP工藝。兩種工具的涂層材料通常為TiN、TiCN和TiALN。由于TiCN和TiALN涂層本身有很大的內應力，難以實現重新涂層。為確保刀具的使用壽命，剃齒刀和滾齒刀涂層材料采用TiN涂層，但二次涂層均勻性控制難度大，導致分層脫落，所以必須去除原有涂層。日本Mitsubishi公司、德國fette公司和日本Nachi公司已成功研制出適合于硬齒面齒輪精加工的剃齒刀和滾齒刀，如圖2所示。

圖2 硬齒面齒輪滾剃用精加工工具

在傳統的硬齒面齒輪制作過程中，若采用滾齒-剃齒-熱處理或精滾-熱處理工序，刀具必須根據齒輪工件的熱處理變形進行預修形。而對于不同模數、不同材質、不同熱處理過程的齒輪工件其變形結果差異較大，刀具修形繁瑣，通用性差。針對這一問題，日本、德國、美國等國家對淬火后齒輪（加工余量0.02～0.03mm，硬度為 HRC 48～53)進行硬齒面剃齒和硬齒面精滾，刀具采用新型硬質合金材料和高速鋼材料結合涂層技術制備，加工后齒輪工件精度可達DIN 6～7級。硬齒面剃齒和硬齒面精滾所用工具必須滿足下列要求：硬質合金刀具應具有高的結合強度和抗彎性能、高的耐磨性和高溫紅硬性；刀具變鈍刃磨后便于二次涂層，并能保證原有的精度；加工過程中切屑脫落順暢。

上述工具在精加工硬齒面齒輪中性能卓越，壽命長，精度高。其中，Nachi公司生產的滾齒刀在KE250滾齒機上可連續精滾1700件齒輪（齒面硬度為HRC 60，模數為2mm，齒數為6，螺旋角20°、齒寬為30mm)，加工精度提高1級。

1.1.2 硬齒面磨齒工具

隨著齒輪的品質要求越來越高，傳動噪音要求越來越低，因此在今后一個時期內，磨削仍然是齒輪成批生產的主要工藝。硬齒面磨齒用工具生產廠商主要分布在歐美國家，如美國Gleason公司、Maag公司、德國fette公司、瑞士Reishauer公司、意大利Samputensili等公司生產的各類砂輪。其中，以鋼基體電沉積金剛石和CBN磨粒砂輪占主流，如圖3所示。該類砂輪具有壽命長、精度高、不需修形等優點。瑞士Reishauer生產的電鍍CBN蝸桿砂輪磨削一個模數為4mm、齒數27、齒寬50mm的齒輪，磨削時間僅為64s，精度可達僅DIN2。該蝸桿砂輪為鋼基體電沉積CBN砂輪。

在國內，燒結式陶瓷Al2O3砂輪已成為硬齒面齒輪磨削用主流工具，磨齒用碟片式CBN砂輪和金剛石砂輪也開始進入市場。對于電鍍超硬磨粒成型砂輪和蝸桿砂輪還處于試驗階段，加之用戶缺乏選擇與使用的知識，不敢輕易投資進行工藝試驗，技術推廣較為困難。

圖3 硬齒面齒輪磨齒用精加工工具

1.1.3 硬齒面珩齒工具

20世紀90年代初，美國、德國等發達國家開始著手研究粉末冶金珩輪，并有相應產品問世。粉末冶金珩輪磨具制作困難，且精度不易保證，沒有被廣泛應用于生產實踐中。此后，德國、瑞士等國家開發出以電沉積工藝為主流的CBN斜齒型外珩輪、CBN內珩輪和CBN蝸桿珩輪，并在生產實踐中已開始應用。國外通常采用的珩齒工具有斜齒型外珩輪、斜齒型內珩輪和蝸桿珩輪。在生產實踐中較為成熟的珩齒工具如圖4所示。

對內齒輪精加工而言，傳統工藝采用磨齒技術，生產效率低。德國NILES-KAPP公司開發的電鍍斜齒型外珩輪如圖4-a所示，適合于硬齒面內齒輪精加工，重疊系數高，齒形精度可提高2級，是普通磨齒加工效率的25倍。如圖4-b所示的電鍍CBN內珩輪，是加工圓柱形齒輪（直徑一般為450mm以內)的主要工具，重疊系數高，齒形精度好，對于鼓形齒加工效果更為明顯。如圖4-c所示的電鍍CBN蝸桿珩輪，是國外應用較為普遍的一種珩齒工具，效率極高，可明顯改善齒形精度和齒面精度。

圖4 硬齒面齒輪珩齒用精加工工具

20世紀60年代，我國外嚙合珩齒機和內嚙合珩齒機相繼問世，并對珩齒技術開始著手研究。到20世紀90年代，國內蝸桿珩齒機研制獲得成功，工件加工精度達到6～7級。同時，珩齒技術的研究進入了新階段。到目前為止，電鍍CBN各類珩輪成為珩齒工具研究重點。山東大學進行了環面蝸桿砂輪珩齒和內嚙合珩齒的實驗，取得了良好的效果。2002年，機械工業部鄭州機械研究所進行了電鍍CBN斜齒外珩輪整形珩齒機理研究，提出了用電鍍CBN斜齒外珩輪進行整形珩齒的新思路。珩齒試驗表明：齒輪工件表面粗糙度值明顯降低，齒向和齒形精度提高1～2級。太原理工大學提出電鍍超硬磨料全切削型剃珩刀具的設計理論，并將熱擴散工藝引入鍍后CBN斜齒型外珩輪制作中，使得珩輪壽命大為提高，2004年該技術取得中國發明專利權。2005年，該課題組將超聲振動技術引入平行珩齒工藝中，獲得國家自然科學基金資助，并取得階段性成果。

1.1.4 工具集成技術

21世紀初，德國NILES-KAPP公司、美國Gleason公司、日本Nachi公司為了進一步提高硬齒面齒輪加工質量和生產效率，將粗精加工工具集成，放寬了前一工序預留加工余量及精度，齒輪工件在熱處理過程中齒形齒向變形控制的難度大大降低，使硬齒面齒輪加工精度適應性得到有效提高。工具集成技術主要有兩類，一類是硬齒面齒輪倒棱和滾剃切削工具的集成技術，另一類是齒輪磨削類工具集成技術。近幾年，齒輪磨削類工具集成技術發展迅速，尤其在硬齒面珩齒工具和磨齒工具方面取得了較大的成果。如：外珩輪粗精集成工具、內珩輪粗精集成工具、蝸桿式外珩輪粗精集成工具、4位一體蝸桿精磨齒集成工具等，如圖5所示。

圖5 硬齒面齒輪珩齒集成工具

1.2 硬齒面齒輪機床技術

為適應齒輪加工行業的要求，硬齒面齒輪加工用機床向數控化、高速高效、高精度、功能復合、綠色環保方向發展。

數控化技術將機床的各運動軸進行CNC聯動控制，增加了機床的功能，實現了閉環或全閉環控制后，減少了輔助加工時間，增加了機床的柔性；高速、高效、高精度要求床身具有最佳吸振效果，無隙滾珠絲桿進給系統，PLC控制的定量潤滑導軌，電主軸及力矩電動機，預加負荷的高剛性直線導軌，滾珠絲桿等技術；功能復合型機床要求一臺機床上或工件一次裝夾中，可以完成多道工序加工，從而提高工件的加工效率甚至加工精度；綠色環保包括加工過程中切削液護罩封閉、安裝油霧分離器、高速干式切削磨削技術、機床和刀具再制造利用等技術；智能化要求齒輪加工機床具有自動誤差補償、溫度補償、工件在線檢測、加工余量分配、刀具磨損在線檢測及自動修整、零編程界面、多功能加工軟件、工藝專家系統、遠程控制與診斷等功能。

針對硬齒面齒輪加工機床的發展方向，國內外齒輪機床制造企業為了在激烈的市場競爭中取得一席之地，均加快了新產品研發力度。如國外Gleason集團的245TWG高速數控蝸桿砂輪磨齒機；瑞士Reishauer公司的RZ400、RZ150數控蝸桿砂輪磨齒機。德國Liebherr公司的LC120高速滾齒機床，Hǒfler公司的RAPID1250成形砂輪磨齒機和Faessler的HMX-400珩齒機，Kapp-Niles集團的KX300P磨齒中心、ZE400S成形砂輪磨齒機和CX250I珩齒機、高精度（內、外齒)磨齒機，強力內齒珩輪珩齒機；Emag-Koepfer公司的200WS-WF蝸桿砂輪磨齒機、VSC400PH 珩齒機、Sigmat的VVV250成形砂輪磨齒機、VSC400DUO WF齒輪加工中心；瑞士Labmert公司的1600CNC滾-磨齒機；國內秦川發展公司的 YK332A、YK7340、YK7380及YK73125大型數控成形砂輪磨齒機，湖南中大創遠數控裝備制造的YK2050七軸五聯動數控弧齒錐齒輪磨齒機。此外，功能復合型的一體化齒輪加工機床開始發展。如：Gleason公司的P90G多用途機床，可以同時進行工件的滾齒和磨齒加工；Emag-Kopfeer公司的VSC400DUOWF齒輪加工中心，可完成齒坯車削、齒部的滾齒加工、倒棱及去毛刺加工，通過這些工序的集成使加工效率提高了近4倍。

2 硬齒面齒輪精加工技術未來發展方向

近年來，太原理工大學先進切削技術研究所在研究齒輪剃珩機理、全切削型剃珩齒輪刀具、電鍍CBN和激光釬焊CBN珩輪工藝的基礎上，提出將超聲加工應用于硬齒面珩齒加工工藝。超聲珩齒是將超聲振動切削技術應用于齒輪精密加工的一項技術，通過高頻振動提高珩磨時瞬時切削速度，使珩磨工藝特點得到充分發揮；同時這種超聲振動能有效減小珩磨力；切削液的超聲空化作用可以對珩磨輪進行清洗，有效地減少珩磨輪的堵塞，提高加工效率。在國家自然科學基金資助項目“硬齒面齒輪超聲波平行軸珩磨機理的研究（N0.50475158)”、“齒輪超聲加工非諧振單元變幅器的設計理論及實驗研究（N0.50845037)”、“非諧振單元變幅器設計理論及其齒輪超聲剃珩應用（N0.50975191)”的支持下對超聲珩齒開展了一系列理論和實驗研究。從單顆磨粒微觀切削角度定性地研究了電鍍CBN外珩輪的超聲振動珩齒切削機理。通過研究單顆磨粒的切削作用和運動軌跡，珩輪與齒輪嚙合時產生的嚙合力及超聲振動產生的沖力，提出了CBN磨粒的切削模型、超聲波平行軸硬珩齒材料去除模型。經過理論推導，揭示了齒輪被加工區域的質點做伴有不規則擾動的橢圓軌跡振動。首次提出非諧超聲振動系統設計理論，并采用應力耦合及力耦合原理設計了非諧振單元組成的齒輪超聲加工振動系統，進行了小直徑圓柱齒輪超聲珩齒與傳統珩齒的加工對比實驗。

在硬齒面齒輪精加工技術領域，應該以齒輪生產廠家為主體、在產學研結合的技術創新體系下，對關鍵技術及裝備上需展開深入的研究。

1)硬齒面齒輪磨齒、珩齒、研齒機理及工藝的研究。特別是開展珩齒（外珩齒、內珩齒和蝸桿珩齒)理論研究，探索珩齒加工過程中接觸點、接觸線運用參數分布規律，研究復雜運動機制下齒面工件材料瞬態應力應變、應變率的動態行為變化規律，揭示硬齒面齒輪珩齒過程中材料去除的科學本質，為發展硬齒面齒輪加工技術和裝備提供理論基礎。

2)開發適應功能復合型一體化齒輪加工機床、新型砂輪及加工智能化技術。探索新型復合珩齒機床技術（超聲振動珩齒機床)、磨—珩齒復合工具的制備技術。對工具的幾何參數、珩磨削用砂輪表面的磨粒分布狀態進行研究，建立針對不同材料的硬齒面齒輪精加工工具的數據庫、工具和工件檢測系統，以及硬齒面齒輪加工智能化技術。

3)積極開發綠色加工技術，包括冷卻潤滑技術、工具再利用技術和機床再制造技術等。由于環保的需要，在冷卻潤滑技術方面要大力開發干式（綠色)冷卻潤滑技術，風冷式、液氮冷卻式硬齒面齒輪高速精加工技術；在工具制造技術方面要考慮磨粒的最大利用率，基體可回收技術等。針對超硬磨粒（CBN和金剛石)工具，發展工具基體的退鍍技術、未損耗磨粒的回收技術、損耗磨粒的二次利用技術等。對于硬齒面齒輪切削類工具（硬剃齒刀、硬齒面齒輪滾齒刀、齒輪倒棱、硬齒面插齒刀)發展超細硬質合金粉末冶金技術、二次刃磨技術、刀具材料重復涂層技術等。

4)研究新型的硬齒面齒輪加工用工具制備技術。如超硬磨粒高溫釬焊技術、激光釬焊技術、綠色電鍍技術、單層磨粒高溫陶瓷燒結技術等。

5)磨齒珩齒機床技術。采用高速電主軸及高速、高效和高精度的直線進給驅動技術、磨珩工位集成技術、刀具自動修行技術、工件自動檢測及裝夾技術等。

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